CO2-N2-H2-Gasverhältnisse und Pulsformungskondensatoren für TEA-Laser

CO2-N2-H2-Gasverhältnisse und Pulsformungskondensatoren für TEA-Laser

Abstract

Eine Erhöhung von N2 von 1:1 auf 1:2 verkürzt die Anstiegszeit um 5 % bis 10 %. Eine Erhöhung von H2 von 0 % auf 8 % reduziert die Impulsbreite von 3000 ns auf 500 ns und eliminiert den Ausläufer. Dieser Artikel erläutert die zugrundeliegende Kinetik, die durch einen schmalen Impuls bedingten ESR- und Kapazitätsgrenzen des Speichers sowie einen Designablauf, der die Mischung mit dem Netzwerk verknüpft.

1. Einleitung

Auf einem CO₂-Laserprüfstand von TEA führt bereits eine Änderung des Gasgemisches zu einer Veränderung des Ausgangspulses. Wird das Verhältnis CO₂:N₂:He von 1:1:8 auf 1:2:6 geändert, verschiebt sich die Pulsenergie um 30 %, die Pulsdauer verkürzt sich von 2 µs auf 1.2 µs, und nach dem Hauptpuls tritt ein Nachpuls auf. Die Versorgungseinstellungen blieben unverändert.

Die erste Reaktion besteht üblicherweise darin, die Stromversorgung anzupassen: die Ladespannung erhöhen, die Impulsformungsspule austauschen, die Schaltzeiten verändern. Diese Maßnahmen stoßen jedoch an ihre Grenzen. Wenn kein Wasserstoff vorhanden ist, lässt sich der Nachimpuls durch keine Einstellung im Netzwerk eliminieren, da er durch die langsame Entspannung des unteren CO₂-Niveaus verursacht wird.

Die drei Gase erfüllen unterschiedliche Funktionen. CO₂ hält das obere Energieniveau des Lasers und bestimmt die Energie pro Volumeneinheit. N₂ überträgt Energie durch Stöße auf dieses Niveau. H₂ leert das untere Niveau und beendet den Puls. Es stabilisiert die Entladung. Ihr Verhältnis bestimmt Anstiegszeit, Pulsbreite, Abfallzeit und Ausklang.

Dieser Artikel beschreibt die kinetische Zeitskala für jedes Gas, die vier Feldausfälle, die auftreten, wenn die Mischung und die Versorgung voneinander abweichen, einen Designablauf, der von der Mischung ausgeht, und die Kondensatorparameter, die darüber entscheiden, ob ein 400-ns-Impuls seine Energie abgeben kann.

2. Kernmechanismus

2.1 N2-Konzentration und die Anstiegskante

N₂ überträgt Energie durch resonante Stöße auf das obere Energieniveau von CO₂. Der Energiegewinn durch diese Stöße ist gering, etwa 18 cm⁻¹, sodass die beiden Energieniveaus nahe beieinander liegen und der Energietransfer schnell erfolgt.

k_N2 = σ_N2 · v_rel · [N2]

wobei k_N2 die Transferrate, σ_N2 der Stoßquerschnitt bei etwa 10⁻¹⁶ cm², v_rel die mittlere relative Molekülgeschwindigkeit und [N2] die N2-Teilchendichte ist.

Eine höhere N₂-Dichte beschleunigt den Anstieg, wodurch sich das obere Niveau schneller füllt und die Anstiegsflanke steiler wird. Im Bereich von 1:0.5 bis 1:3 verkürzt jede Zugabe von 10 % N₂ die Anstiegsflanke um 5 % bis 10 %. Oberhalb eines N₂:CO₂-Verhältnisses von 2:1 ist kein weiterer Anstieg mehr zu verzeichnen.

Die Grenze ergibt sich aus der Verdünnung. Zusätzliches N₂ beansprucht Volumen, das sonst CO₂ einnehmen würde, wodurch die Energie pro Volumeneinheit sinkt. Oberhalb dieses Verhältnisses lässt sich keine Spitzenleistung mehr erzielen.

2.2 H2-Konzentration, die Abfallflanke und der Ausläufer

Durch Kollisionen leert H₂ das untere CO₂-Niveau. Dieser Schritt bestimmt, wie schnell die Inversion nach dem Hauptimpuls zusammenbricht und ob überhaupt ein Schweif auftritt.

τ_pulse ≈ 1 / (k_H2 · [H2] + k_spont + k_diff)

wobei τ_pulse die Pulsbreite, k_H2 die Kollisionsrate von H2 zu CO2, [H2] die H2-Teilchendichte, k_spont die Rate der spontanen Emission und k_diff die Diffusionsverlustrate ist.

Der Wirkungsquerschnitt von H₂ beträgt etwa 3 × 10⁻¹⁶ cm², weit über dem Wert für He oder N₂ auf demselben Niveau. Sobald der Term k_H₂ · [H₂] dominiert, wird die Breite allein durch die H₂-Dichte bestimmt.

Die bei 1 atm gemessenen Daten bestätigen diesen Zusammenhang. Eine Erhöhung des H₂-Anteils von 0 % auf 8 % verkürzt die Pulsbreite von etwa 3000 ns auf etwa 500 ns, und der Nachpuls verschwindet. Ohne H₂ im Gemisch bleibt die Inversion nach der Entladung erhalten und gibt 20 % bis 40 % der Pulsenergie als schwaches Nachlicht ab.

2.3 CO2-Konzentration und Energie pro Volumeneinheit

CO2 transportiert den Übergang, daher bestimmt seine Dichte die im Gewinnvolumen verfügbare Energie.

E_stored = N_CO2 · hν · Δn / V

wobei E_stored die gespeicherte Energie pro Volumeneinheit, N_CO2 die CO2-Teilchendichte, hν die Photonenenergie bei etwa 0.117 eV im 10.6 µm-Band, Δn die Inversionsdichte und V das Verstärkungsvolumen ist.

Ein niedriger CO₂-Anteil begrenzt die Impulsamplitude. Ein hoher Anteil erhöht die Entladungsimpedanz, da CO₂ Elektronen anlagert, und die Entladung dann in Filamenten anstatt eines gleichmäßigen Glimmens abläuft.

2.4 Anpassung der Entladeimpedanz und der Versorgungsspannung

Die Mischung bestimmt auch die Impedanz des Entladungskanals, und diese Impedanz muss zum Impulsnetzwerk passen.

Z_discharge ≈ V_sustain / (n_e · e · μ_e · A / d)

wobei Z_discharge die Entladungsimpedanz, V_sustain die Haltespannung, n_e die Elektronendichte, e die Elektronenladung, μ_e die Elektronenbeweglichkeit, A der Entladungsquerschnitt und d der Elektrodenabstand ist.

Wasserstoff (H₂) besitzt eine höhere Elektronenbeweglichkeit als Kohlendioxid (CO₂). Daher senkt ein höherer H₂-Anteil die Impedanz, und die Stromversorgung muss mehr Strom bei geringerer Spannung liefern. Ein für eine bestimmte Mischung ausgelegtes Netzwerk ist bei einer anderen Mischung nicht angepasst, und es kommt zu einem Überschwingen des Impulses.

2.5 Kinetische Zeitskalen, die den Lieferspezifikationen zugeordnet sind

Gasparameter	Pulsfunktion	Zeitstrahl	Angebotskennzahl
N2-Konzentration	Rise edge	100 bis 500 ns	PFN-Induktivität di/dt
H2-Konzentration	Fallkante und Ende	200 ns bis 2 µs	Bankentladungsabschaltgeschwindigkeit
CO2-Konzentration	Amplitude und Energie	µs-Bereich	Kapazität und Spannungsfestigkeit
He-Konzentration	Gleichmäßigkeit und Impedanz	Kontinuierlich	Ausgangsimpedanzbereich
Gesamtdruck	Die Spannung unterbrechen	Kontinuierlich	Ladespannungsbereich

Abb. 1 — Eine Erhöhung von H2 von 0 % auf 8 % komprimiert den Puls von 2500 ns auf 400 ns und reduziert den Ausläufer von 35 % auf unter 1 %.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Die Optimierung ausschließlich über die Stromversorgung stagniert bei einem lokalen Optimum

Viele Teams optimieren die Wellenform ausschließlich von der Versorgungsseite aus: Spulenwert, Kondensatorwert, Ladespannung, Schaltzeitpunkt. Bei einer ungünstigen Mischung ist dieser Spielraum begrenzt. Bei einem H₂-Wert von null, ohne Berücksichtigung von Spulen- und Kondensatorwerten, verschwindet der Nachhallimpuls, da dessen Ursache in der Gaskinetik liegt.

Problempunkt 2: Impedanzfehlanpassung nach einer Mischungsänderung

Eine Änderung von 1:1:8 auf 1:2:5 verschiebt die Entladeimpedanz um 20 % bis 30 %. Ein für die Nennimpedanz ausgelegtes Netzwerk überschwingt dann oder schwingt am Impulsende nach, und der Energiespeicher kann seine Ladung nicht in kürzester Zeit vollständig abgeben.

Der Bediener beobachtet nach dem Gaswechsel einen schwächeren Impuls und meldet eine geringere Energieabgabe. Die gemessene Energie bestätigt dies, wodurch die Untersuchung auf den falschen Maschinenteil gelenkt wird.

Problempunkt 3: Der ESR-Wert des Kondensators dehnt einen Sub-Mikrosekunden-Impuls aus.

Bei einem H₂-Gehalt über 5 % sinkt die Impulsbreite unter 1 µs, und der Speicher hat einige hundert Nanosekunden Zeit, sich zu entladen. Ein ESR-Wert von 500 mΩ gegenüber einer 5-Ω-Schleife führt dazu, dass am Ende des Impulses ein Großteil der Ladung im Speicher verbleibt. Die abgegebene Energie liegt dann unter dem Sollwert, während die gespeicherte Energie korrekt ist.

Problempunkt 4: Die Abwärme wird im Arbeitsbereich in Wärme umgewandelt.

In Gemischen mit wenig oder gar keinem Wasserstoff trägt der Ausläufer des Pulses bei niedriger Leistung 20 bis 40 % der Pulsenergie. Präzisionsarbeiten wie Mikroschneiden und Dünnblechschweißen profitieren nicht von diesem Licht. Die Energie wird als Wärme umgewandelt, die Schnittkante vergilbt und die Wärmeeinflusszone vergrößert sich.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Behandeln Sie die Mischung und den Druck als Designparameter.

Legen Sie die Zielmischung und den Betriebsdruck fest, bevor das Netz gezeichnet wird. Alle nachfolgenden Werte ergeben sich aus der Impedanz dieser Mischung.

Entwurfsschritt	Eingang	Ausgang
1. Entladeimpedanz	Mischung, Druck, Elektrodenabstand	Nennimpedanz Z0
2. Netzwerkabgleich	Z0 und Zielbreite	PFN-Impedanz nahe Z0
3. Speicherkapazität	Z0, Breite, Ladespannung	C_stored
4. Impulsinduktivität	Z0 und Zielbreite	L_PFN

Halten Sie einen Anpassungsbereich von ±20 % im Netzwerk ein, damit eine spätere Mischungsänderung innerhalb des Anpassungsfensters bleibt.

Strategie 2: Dimensionierung des Speichers anhand der Impulsbreite

Zwei Beziehungen legen die Bank und die Induktivität fest, und beide verwenden die Entladeimpedanz und die Zielbreite.

C_stored = τ_pulse / Z0

wobei C_stored die Speicherkapazität, τ_pulse die Zielimpulsbreite und Z0 die Entladeimpedanz ist.

L_PFN = τ_pulse · Z0

Dabei ist L_PFN die Impulsformungsinduktivität, τ_pulse die gewünschte Impulsbreite und Z0 die Entladungsimpedanz. Ein 400 ns langer Impuls in einem 35 Ω Kanal benötigt etwa 11 nF und 14 µH.

Strategie 3: Wählen Sie einen verlustarmen Kondensator für den schmalen Impuls.

In einem 400-ns-Fenster bestimmt der Verlustterm der Bank die tatsächlich austretende Energie. Vergleichen Sie die Kandidaten bei der Schaltfrequenz, nicht bei 1 kHz.

Parameter	Klasse II X7R	Folienkondensator	Klasse I N4700
ESR bei 1 MHz	100 bis 500 mΩ	20 bis 50 mΩ	5 bis 20 mΩ
Eigenresonanzfrequenz	1 zu 5 MHz	0.5 zu 2 MHz	5 zu 50 MHz
Impulsstromdichte	Medium	Hoch	Sehr hohe
Temperaturkoeffizient	-15 % bis +15 %	± 2%	±30 ppm/°C

Ein Bauteil mit einem ESR von 10 mΩ und einer SRF über 20 MHz liefert mehr als 95 % seiner Ladung innerhalb von 200 ns. N4700 Der Scheibenteil erfüllt beide Werte bei 15 kV und 4700 pF.

Strategie 4: Erstellen Sie eine Zuordnungstabelle für die Mischung aus Impuls und Versorgung.

Messen Sie den Impuls für jede Mischung, die Sie verwenden möchten, und notieren Sie die entsprechenden Versorgungseinstellungen. Die Tabelle macht eine neue Mischung zu einem bekannten Ausgangspunkt.

CO2:N2:H2:He-Gemisch	Impedanz	Ladespannung	Länge	Heckanteil	C_stored
1: 1: 0: 8	50 Ω	25 kV	2500 ns	35%	50 nF
1: 1: 2: 6	45 Ω	23 kV	1200 ns	15%	27 nF
1: 1: 4: 4	42 Ω	22 kV	800 ns	5%	19 nF
1: 2: 4: 3	38 Ω	20 kV	600 ns	3%	16 nF
1: 2: 8: 0	35 Ω	18 kV	400 ns	unter 1 %	11 nF

Strategie 5: Pulsrückkopplung zur Kompensation der Gasalterung hinzufügen

Die Gaszusammensetzung ändert sich während des Betriebs eines geschlossenen Rohrs, wodurch sich auch die Wellenform ändert. Ein schneller Fotodetektor erfasst den Impuls, ein digitaler Signalprozessor (DSP) vergleicht die Impulsbreite und den Anteil des Ausklangs mit den Sollwerten, und die Steuerung justiert die Ladespannung und das Netzwerk. Sobald die Abweichung den Korrekturbereich überschreitet, fordert das Gerät einen Gaswechsel an.

Dämpfen Sie das Netzwerk gegen die parasitären Schwingungen, die nach jedem Schaltvorgang auftreten, mithilfe eines HVR-BSP Dickschichtwiderstand Die Dimensionierung erfolgt auf die Impulsenergie. Ein flacher Impuls ohne Überschwingen erhöht die Energie, die das Gas erreicht.

Strategie 6: Gleichrichter und Impulspfad koordinieren

Der Ladepfad und der Impulspfad nutzen denselben Energiespeicher. schnelle Erholungsdiode Eine Erholungszeit unter 100 ns verhindert, dass das Ladegerät Ladung aus der Bank zurückzieht, während sich der Impuls bildet.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Pulskondensatoren für TEA-Lasermischungen

Für einen kurzen Impuls wird eine Impulsbank mit geringen Verlusten und einem hohen Eigenresonanzpunkt benötigt, und zwar bei der Betriebsspannung. HVC fertigt in seinem 6,000 m² großen Werk in Dongguan Komponenten der Klasse I für Impulsbänke im Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Der ESR liegt bei 1 MHz unter 20 mΩ. Mehr als 95 % der gespeicherten Ladung verlassen das Bauteil innerhalb von 200 ns, sodass ein 400 ns langer Impuls seine Auslegungsenergie erreicht.
• Eigenresonanzfrequenz über 20 MHz. Das Bauteil bleibt über das gesamte Impulsspektrum kapazitiv, sodass die Batteriebank während der Entladung nicht an ihren eigenen Anschlüssen schwingt.
• Die Kapazitätsänderung unter Gleichstromvorspannung beträgt weniger als 1 %. Die 11 nF, die das Netzwerk bei 18 kV benötigt, entsprechen den 11 nF, die die Bank speichert, sodass die Bandbreite über den gesamten Ladebereich erhalten bleibt.
• Temperaturkoeffizient ±30 ppm/°C. Ein Temperaturanstieg von 35 °C bei einem Tastverhältnis von 500 Hz verändert den Wert um weniger als 0.12 %, daher ist die Breite im kalten und warmen Zustand gleich.
• Teilentladungen unter 5 pC bei 1.5-facher Nennspannung. Wiederholte Impulsbelastung führt nicht zu einem Wachstum der inneren Hohlräume, wodurch sich die Verluste und die Breite über die Lebensdauer verändern würden.
• Zusammenwirkende Teile. HVCT8G Die Schraubklemmen führen den Impulsstrom, a HVRGXP-Abtastwiderstand liest den Impulsstrom und ein Folienkondensator Deckt den Niederspannungs-Gleichstromzwischenkreis auf der Ladegerätseite ab.

Lieferung und Support

Standardbauteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen, passende Impulsbänke innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert. Jeder Bestellung liegen ESR-Daten bei der Betriebsfrequenz und ein Teilentladungsbericht bei 5 pC bei.

Senden Sie die Zielmischung, die Pulsbreite, die Wiederholrate und die Ladespannung. HVC gibt ein Banklayout mit Teilenummern zurück. Querverweis gegen Murata DHS- und TDK UHV-Teile sowie zwei Mustergeräte für den Impulstest.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum bleibt der Nachimpuls bei einer Anpassung der Versorgungsspannung erhalten?

Da die Quelle im Gas und nicht im Netzwerk liegt, entspannt sich das untere CO₂-Niveau ohne H₂ im Gemisch nur langsam. Dadurch übersteht die Inversion die Entladung und emittiert noch einige Mikrosekunden nach dem Hauptimpuls Licht. Die Zugabe von 4 % bis 8 % H₂ beseitigt die Inversion, indem die Lebensdauer des unteren Niveaus verkürzt wird.

Frage 2: Wie viel H2 sollte die Mischung enthalten?

Es genügt, dass der Term k_H2 · [H2] die Relaxation dominiert. In der Praxis reduziert ein Druck von 4 % bis 8 % des Gesamtdrucks die Breite von 2500 ns auf 400 ns und den Ausläufer von 35 % auf unter 1 %. Darüber hinaus sinkt die Impedanz, und die Ladespannung muss entsprechend abfallen.

Frage 3: Wie dimensioniere ich den Speicher?

Aus der Breite und der Impedanz ergeben sich die ersten Werte für C_stored = τ_pulse / Z0 und L_PFN = τ_pulse · Z0. Ein 400-ns-Puls an 35 Ω liefert 11 nF und 14 µH. Anschließend sollte der ESR-Wert überprüft werden, da der Verlustterm bestimmt, wie viel dieser Ladung das Gas erreicht.

Frage 4: Welcher ESR-Wert ist niedrig genug für einen 400-ns-Impuls?

Bei einem Widerstand von unter 20 mΩ und einer MHz-Frequenz von 10 nF liefert die Batteriebank bei diesem Wert innerhalb von 200 ns über 95 % ihrer Ladung. Eine Batterie der Klasse II mit einem ESR von 300 mΩ lässt einen Großteil der Ladung ungenutzt, und die Impulsenergie reicht nicht aus, um die gespeicherte Energie zu erreichen.

Frage 5: Kann ein Netzwerk mehrere Gasmischungen bedienen?

Innerhalb eines Bereichs von ±20 % der Nennimpedanz ist dies möglich. Verwenden Sie schaltbare Kondensatorbänke zur Anpassung der Impulsbreite und angezapfte Induktivitäten zur Anpassung. Führen Sie eine Tabelle mit den Parametern für Mischung, Impulsbreite und Ladespannung. Außerhalb dieses Bereichs kommt es zu Überschwingen des Impulses, und die Schaltung benötigt eine zweite Netzwerkkonfiguration.

Frage 6: Wie verändert die Gasalterung die Wellenform im Laufe der Zeit?

In einem geschlossenen Rohr dissoziiert CO₂ in CO und O, wobei H₂ verbraucht wird. Die Kurve verbreitert sich und der Ausläufer kehrt zurück, wenn der H₂-Anteil sinkt. Ein Fotodetektor und eine digitale Signalverarbeitungsschleife (DSP) justieren die Ladespannung und das Netzwerk. Das Gerät meldet einen Gaswechsel, sobald die Abweichung den korrigierbaren Bereich überschreitet.

7. Referenzen

1. IEC 60825-1:2014, Sicherheit von Laserprodukten – Teil 1: Geräteklassifizierung und AnforderungenGenf: IEC, 2014.
2. IEC 61000-6-2:2016, Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 6-2: Allgemeine Normen – Störfestigkeitsnorm für industrielle UmgebungenGenf: IEC, 2016.
3. IEC 60384-8:2015, Festkondensatoren für elektronische Geräte – Teil 8: Festkondensatoren mit keramischem Dielektrikum, Klasse 1Genf: IEC, 2015.
4. IEC 60270:2015, Hochspannungsprüfverfahren — TeilentladungsmessungenGenf: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, und Maksimović, D., Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM, und Robbins, WP, Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design, 3. Aufl. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. C. Oria, A. Ortiz, D. Ferreño, I. Carrascal und I. Fernández, Aktueller Überblick über die Leistungsfähigkeit von Zellulose-Dielektrika in Leistungstransformatoren: Mechanisches Verhalten und AlterungIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Bd. 26, Nr. 3, S. 939–954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
8. Wie bestimme ich die Durchbruchspannung eines Kondensators?, All About Circuits Forum, https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
9. GB/T 17702-2021, 电力电子电容器 (Kondensatoren für die Leistungselektronik). Peking: 国家市场监督管理总局, 2021.
10. IEC 61071:2017, Kondensatoren für Leistungselektronik, Ed. 2.0. Genf: Internationale Elektrotechnische Kommission, 2017.
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com